Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Я не думаю, что Эйнштейн когда-либо представлял себе, что эта константа однажды будет измерена, но это произошло. Она имеет чрезвычайно малую величину - и, соответственно, гигантские следствия. Хотя она и мала, ее проявления суммируются по всей вселенной. Так что имеются две противоположные силы,
к оглавлению
действующие на вселенную. Гравитация от всей материи вызывает сжатие, тогда как космологическая константа ускоряет расширение.
Эйнштейн предполагал статическую вселенную, в которой эти силы точно сбалансированы. Но с этим тоже есть проблема - такой баланс нестабилен. Дернем вселенную только на йоту, и одна из тенденций победит, так что вселенная должна или всегда расширяться или всегда сжиматься. Вселенная полна движущихся звезд, черных дыр, гравитационных волн, которые обеспечивают достаточно дерганий, чтобы гарантировать, что она не могла бы долго находиться в равновесии.
Поразительное заключение состоит в том, что вселенная должна иметь историю. Она может расширяться, и она может сжиматься, но она не может оставаться той же самой. В 1920-х годах некоторые астрономы и физики нашли решения уравнений ОТО - решения, которые описывали расширяющуюся вселенную. Это было удачно, поскольку в 1927 астроном Эдвин Хаббл открыл подтверждение тому, что вселенная расширяется, - что предполагает, что она должна была иметь начало. И в самом деле, каждое из этих новых нестабильных решений имело начальный момент времени.
Такие решения связаны с именами Александра Фридмана, Х. П. Робертсона, Артура Уолкера и Жоржа Леметра; их по первым буквам фамилий авторов называют FRWL-вселенными. Это очень простые модели, в которых предполагается, что вселенная везде в пространстве одинакова. То есть повсюду достигается одинаковая плотность материи и радиации. В первый момент времени в FRWL-вселенной плотность материи и радиации и сила гравитационного поля становятся бесконечными и составляют начальную сингулярность. В этой точке ОТО перестает работать, поскольку уравнения больше не описывают эволюцию будущего из настоящего. Бесконечные величины вызывают разрушение теории.
Реакция многих физиков была такой, что уравнения разрушаются потому, что изучавшиеся модели были слишком просты. Они утверждали, что если ввести больше деталей, - таких, что вселенная могла бы иметь локальные особенности вроде звезд, галактик и гравитационных волн, - сингулярность могла бы быть ликвидирована и вы смогли бы продолжить экстраполировать время назад
к оглавлению
за пределы этой точки. Эта гипотеза была трудна для подтверждения, поскольку в эпоху до суперкомпьютеров было невозможно полностью изучить решения уравнений теории Эйнштейна. Так что гипотеза пережила несколько десятилетий просто потому, что ее было тяжело проверить. Но она оказалась неверной. В 1960-х годах Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему, заключающуюся в том, что сингулярности имеются во всех решениях уравнений ОТО, которые могут описывать нашу вселенную.
Если ОТО является правильным описанием нашей вселенной, тяжело избежать заключения, что время не может быть фундаментальным. Иначе мы имеем ряд затруднительных вопросов, на которые приходится искать ответы. Например: Что происходило до того как время стартовало? Что запустило вселенную? Еще более головоломными являются вопросы о вневременных законах: Если законы вечны, то что они делали до возникновения вселенной, которой они управляют? Очевидный ответ в том, что до вселенной не было времени, что означает, что законы должны быть более глубоким аспектом мира, чем время.
В некоторых из этих решений время, однажды стартовав, движется дальше вечно, так же как вселенная вечно расширяется и разрежается. Но в других решениях вселенная достигает максимального расширения, а затем коллапсирует к Большому Хрусту, в котором многие наблюдаемые величины снова становятся бесконечными; эти последние решения описывают вселенные, в которых время тоже имеет конец. Запуск и остановка времени не представляют проблемы для картины монолитной вселенной, в рамках которой все, что реально, это лишь история вселенной, взятой как вневременное целое. Эта реальность не дискредитируется, если она включает в себя мир, в котором время начинается и заканчивается. Вместо этого, открытие, что время начинается в решениях ОТО, которые описывают целую вселенную, усиливает картину монолитной вселенной, а также ослабляет любое утверждение, что время более фундаментально, чем закон.
Мы прошли длинный путь в истории изгнания времени из физической концепции природы. Мы начинали, как начинали Галилей и Декарт, с удерживания движения и замораживания времени через их графический метод, в котором время представлено так, как если бы оно было еще одной размерностью пространства. В теории относительности эти картины движения, выложенные во времени, стали пространством-временем, вневременной картиной истории
к оглавлению
вселенной, в которой нет ничего реального, кроме настоящего момента. Относительность одновременности говорит нам, что мы не можем пойти назад и отделить время от пространства. Мы можем только идти вперед к картине монолитной вселенной, в которой история вселенной представлена как вневременное целое. С СТО и ОТО, хорошо подтвержденными экспериментом, мы, физики, на самом деле имеем куда больше оснований принять безвременную картину реальности.
к оглавлению
7
Квантовая космология и конец времени
Во время рождественских каникул в конце моего первого семестра в Хемпшир Колледже я вернулся в Нью-Йорк, чтобы остановиться в квартире моей кузины на Гринвич Виллидж. Утром я поехал на метро на окраину на мою первую физическую конференцию, грандиозно названную Шестым Техасским Симпозиумом по Релятивистской Астрофизике, которая заняла разукрашенный отель в Центральном Манхэттене. Я не был приглашен и не думал регистрироваться, но мой профессор физики Херб Бернстайн подсказал мне, как проникнуть. Я никого там не знал, но как-то познакомился к Кипом Торном из Калтеха, который сказал мне, что для хорошего изучения ОТО я должен проштудировать учебник, который он написал вместе с Чарльзом Мизнером и Джоном Арчибальдом Уилером [1]. Я познакомился с Лэйном Хьюстоном, молодым американским математиком, обучающимся в Оксфорде, который говорил час, чтобы объяснить мне новую революционную теорию твисторов, а затем познакомить меня с ее изобретателем Роджером Пенроузом.
На одной из сессий я занял место в проходе, когда мужчина в инвалидной коляске проехал вблизи меня. Стивен Хокинг был уже знаменит своими трудами в ОТО, и это было за год до его поразительного открытия, что черные дыры излучают. Высокий бородатый мужчина с
к оглавлению
элегантными манерами остановился, чтобы поболтать с ним, а затем был вызван на сцену. Это был Брюс ДеВитт. Я не вспомню, о чем он говорил, но я слышал о нем и о его уравнениях, описывающих квантовые вселенные. У меня не набралось смелости поговорить с кем-нибудь из них, и я, определенно, никогда не предполагал, что когда я семью годами позже завершу свою диссертацию на степень доктора философии, эти два гиганта современной физики пригласят меня работать с ними.
Брюс ДеВитт, Джон Уилер, Чарльз Мизнер и Стивен Хокинг все были пионерами, которые тогда были на полпути к созданию новой дисциплины: квантовой космологии. Изобретенный ими брак ОТО и квантовой теории был вершиной нашего восхождения к вневременному миру современной физики. В квантовой вселенной, которую они описали, время не только является излишним, оно полностью исчезает. Квантовый космос не эволюционирует и не меняется, он не расширяется и не сжимается, он просто есть.
Эта тема, что нужно подчеркнуть, представляет собой в высшей степени умозрительную и поэтическую область теоретической физики, пока без твердой привязки к наблюдениям. Заключениям, которым вы можете вывести из нее, недостает авторитета картины природы, даваемой теорией относительности, которая снова и снова триумфально подтверждается экспериментально и продолжает удивлять нас точностью своих предсказаний.
Мы начнем с квантовой механики, которая является триумфом метода изучения физики в ящике. Мне нужно будет объяснить только несколько базовых вещей по поводу того, как подсистемы вселенной моделируются в квантовой механике, чтобы проложить путь к двухэтапной экстраполяции нашей современной физики. Первый этап, мы должны унифицировать квантовую механику с ОТО, чтобы получить квантовую теорию гравитации. Имеются разные подходы к этой унификации, и до сих пор нет экспериментов, чтобы сделать выбор среди них, но достаточно известно о том, как должна быть сформулирована такая теория, чтобы допустить нас ко второму этапу, который есть включение целой вселенной в квантовую теорию.
